微流控裝置助力研究人員解密血流中的紅細(xì)胞形狀變化

紅細(xì)胞的形狀取決于它們?cè)隗w內(nèi)的位置，據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，德國(guó)和法國(guó)的研究人員使用微流控裝置結(jié)合數(shù)值模擬，以獲取這種形狀變化如何發(fā)生的重要新見解。

紅細(xì)胞是盤狀物體，直徑約為8微米，幾乎占血液成分的一半。在靜止時(shí)，細(xì)胞呈現(xiàn)對(duì)稱的雙凹盤形狀，其邊緣比中心厚。

微流控裝置助力研究人員解密血流中的紅細(xì)胞形狀變化

它們不是剛性顆粒，包含由細(xì)胞膜包裹的液態(tài)細(xì)胞質(zhì)，使得整個(gè)細(xì)胞結(jié)構(gòu)具有柔性。當(dāng)細(xì)胞在體內(nèi)穿行時(shí)，它會(huì)流經(jīng)寬的動(dòng)脈和靜脈，也可以通過狹窄的血管。一直以來，細(xì)胞都沉浸在相對(duì)較厚和粘稠的血漿中，血漿會(huì)對(duì)細(xì)胞形狀產(chǎn)生影響。

形狀和流動(dòng)性

血細(xì)胞在穿過身體過程中的形變，在其流動(dòng)性中起著重要作用，將影響到血液循環(huán)。因此，了解形狀如何影響流動(dòng)性，對(duì)理解基本的血液循環(huán)，一些血液相關(guān)疾病，以及藥物如何在體內(nèi)作用至關(guān)重要。

科學(xué)家們知道，由于存在剪切應(yīng)力，紅細(xì)胞在狹窄的血管中會(huì)發(fā)生形狀轉(zhuǎn)變。隨著剪切速率的增加，細(xì)胞首先翻滾，然后變成翻滾中的“口形紅細(xì)胞”，彷佛一頂不對(duì)稱的降落傘。在較高的剪切速率下，紅細(xì)胞形成奇特的多葉形狀。

現(xiàn)在，于利希研究中心（Research Center Jülich）復(fù)雜系統(tǒng)研究所（the Institute of Complex Systems）的Dmitry Fedosov和來自蒙彼利埃大學(xué)（University of Montpellier）的同事們研究了細(xì)胞液（細(xì)胞內(nèi)的液體）和血漿之間的各種剪切速率和粘度比如何影響各種紅細(xì)胞形狀之間的轉(zhuǎn)換。

Fedosov表示，該團(tuán)隊(duì)的研究“旨在從物理學(xué)角度解釋紅細(xì)胞的基本行為及其可能發(fā)生的形狀和動(dòng)態(tài)變化”。他補(bǔ)充道，“我們已經(jīng)了解到這些細(xì)胞在簡(jiǎn)單流體中的表現(xiàn)，下一步是了解他們?cè)诟鼜?fù)雜的微血管系統(tǒng)流動(dòng)中的運(yùn)動(dòng)。”

微通道

為了探索生理?xiàng)l件下紅細(xì)胞的行為，研究人員需要對(duì)細(xì)胞施加具有相對(duì)強(qiáng)流量的高剪切速率。然而，從實(shí)驗(yàn)角度來看，在常規(guī)流變儀中以高剪切速率使用水樣溶液有較高難度。因?yàn)槿芤嚎赡懿粔蛘吵硪员３衷诹黧w腔室內(nèi)。Fedosov及其同事利用微流控裝置克服了這一局限，該裝置可以使流動(dòng)的液體通過微通道。

研究人員從新鮮的人體血液中獲取紅細(xì)胞。細(xì)胞在粘性流體中稀釋并通過縫隙狀矩形通道。研究人員使用配備有高速相機(jī)的顯微鏡記錄細(xì)胞的形狀和運(yùn)動(dòng)。隨著研究團(tuán)隊(duì)在微流控裝置通道內(nèi)增加流速，細(xì)胞形狀開始從類似滾動(dòng)的甜甜圈變?yōu)槎鄬咏Y(jié)構(gòu)。

微流控裝置助力研究人員解密血流中的紅細(xì)胞形狀變化

研究人員觀察到的形狀和動(dòng)力學(xué)，與使用兩種不同流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)完成的3D模擬所做的預(yù)測(cè)完全一致。

下一步研究計(jì)劃

研究小組計(jì)劃繼續(xù)研究，并將紅細(xì)胞形狀的動(dòng)態(tài)變化和各種疾病的病理變化聯(lián)系起來。Fedosov解釋道，“我們想要模擬更復(fù)雜的幾何形態(tài)和更逼真的血流環(huán)境，實(shí)際上，人體血液密度比我們模擬的更大。”

他補(bǔ)充道，“就理論而言，我們的研究成果可以應(yīng)用于不同疾病與血細(xì)胞的聯(lián)系。例如，我們已經(jīng)研究過瘧疾。同理也適用于探索鐮狀細(xì)胞貧血癥。我們可以創(chuàng)建一個(gè)模擬系統(tǒng)，模擬這些疾病中血細(xì)胞的變化，以研究它們?cè)诹黧w中的行為和對(duì)氧氣輸送的影響。”

愛丁堡大學(xué)的Timm Kruger表示，該研究的一大重要優(yōu)勢(shì)在于研究人員在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中使用了兩種不同且大不一樣的建模方法。

他補(bǔ)充道，“為了模擬較大血管中復(fù)雜的紅細(xì)胞系統(tǒng)，我們需要關(guān)于單細(xì)胞行為的相關(guān)信息。” Fedosov及其同事所作的研究提供了上述信息，并可用于更高級(jí)的模型。

Kruger也預(yù)測(cè)了該研究在醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。“如瘧疾或鐮狀細(xì)胞貧血癥等一些疾病，會(huì)影響到紅細(xì)胞的形狀。更好地了解紅細(xì)胞的流動(dòng)行為，或許可以借助少量血液幫助醫(yī)學(xué)工作者更好地診斷疾病。”